Luận án: Tính toán xói mòn, sạt lở bờ sông Đồng Nai khu vực Cù lao Rùa và giải pháp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MỘNG GIANG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÓI MÒN, SẠT LỞ BỜ SÔNG ĐỒNG NAI KHU VỰC CÙ LAO RÙA VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN MỘNG GIANG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN XÓI MÒN, SẠT LỞ BỜ SÔNG ĐỒNG NAI KHU VỰC CÙ LAO RÙA VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU Ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường Mã số ngành: 62850101 Phản biện độc lập: PGS. Phùng Chí Sỹ Phản biện độc lập: PGS. Hoàng Văn Huân Phản biện: PGS.

Lê Tuấn Anh Phản biện: PGS. Huỳnh Công Hoài Phản biện: PGS. Trương Thanh Cảnh NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Lê Song Giang 2.

Võ Lê Phú LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Song Giang và PGS. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.

Tác giả Luận án Chữ ký Nguyễn Mộng Giang i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành Luận án này, tôi xin được bày tỏ lòng cám ơn chân thành đến PGS. Lê Song Giang và PGS. Võ Lê Phú đã tận tình giảng dạy, hỗ trợ, hướng dẫn và góp ý trực tiếp cho Luận án của tôi trong quá trình thực hiện cũng như trong suốt quá trình học tập của mình. Xin được cảm ơn các Thầy, Cô giáo công tác tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp.HCM và các Thầy, Cô giáo khác đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu để tôi thực hiện và hoàn thành Luận án nghiên cứu này.

Xin cám ơn gia đình, người thân và những người bạn chân thành của tôi đã luôn đồng hành, khuyến khích, ủng hộ, động viên không ngừng giúp tôi vượt qua những khó khăn và thách thức để hoàn thành đề tài nghiên cứu. Xin chân thành cám ơn! ii TÓM TẮT Xói mòn lòng dẫn và xói lở bờ là những quá trình xảy ra với lòng sông, có tác động tiêu cực đến sinh kế của người dân và gây thiệt hại tài sản của xã hội. Luận án này nghiên cứu và đánh giá vấn đề sạt lở bờ tại Cù lao Rùa (Cù lao Thạnh Hội) nằm trên sông Đồng Nai thuộc xã Thạnh Hội, thị xã Tân Uyên, tỉnh Bình Dương. Tình trạng sạt lở bờ tại Cù lao Rùa đã diễn ra trong thời gian dài, tốc độ sạt lở bờ ngày càng tăng sau khi nhà máy thủy điện Trị An đi vào hoạt động.

Song song đó, hoạt động hút cát lòng sông ngày càng phổ biến làm gia tăng mức độ và nguy cơ sạt lở bờ ở Cù lao Rùa. Hiện nay, do quá trình sạt lở đang diễn ra nhanh chóng nên Cù lao Rùa có nguy cơ bị chia cắt ra làm hai phần tại vị trí cổ rùa. Vì vậy, việc nghiên cứu cơ chế, nguyên nhân sạt lở Cù lao Rùa nhằm đề xuất các giải pháp kiểm soát tác động, ngăn chặn sạt lở hiệu quả là rất cần thiết. Trong khuôn khổ Luận án, một công cụ tính toán xói lở bờ (tên là STABI) đã được xây dựng.

Công cụ tính toán tích hợp 3 modules cơ bản gồm: (i) Module tính toán dòng thấm tại bờ sông; (ii) Module phân tích độ ổn định; và (iii) Module tính toán sạt lở bờ. Ngoài ra, tác giả đã áp dụng phần mềm F28 kết hợp với công cụ tính toán STABI đã tạo ra một công cụ trợ giúp nghiên cứu bài toán diễn biến lòng dẫn hoàn chỉnh. Sử dụng phần mềm F28, một mô hình tính toán dòng chảy và xói mòn đáy 1D2D3D tích hợp được xây dựng trong đó Cù lao Rùa được mô hình hóa dưới dạng 3D. Với sự kết hợp của phần mềm F28 và STABI, mô hình diễn biến bờ được thiết lập để xác định và hiểu rõ cơ chế, nguyên nhân của xói mòn và sạt lở bờ tại khu vực nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên nhân chủ yếu gây ra sạt lở bờ là các xoáy thứ cấp do lòng sông cong. Dòng chảy tại đoạn cổ cong là nguyên nhân gây ra quá trình xói đáy và bào mòn bờ sông. Sông bị sạt lở khi mức độ xói đạt ngưỡng làm mất ổn định bờ. Tính toán cho thấy sau 321 ngày thì có thể xảy ra sạt lở, vết sạt có bề rộng khoảng 3,8 m.

Kết quả tính có thể khẳng định sạt lở chắc chắn xảy ra. Tuy nhiên, thời gian và mức độ sạt lở có độ tin cậy chưa cao vì số liệu chưa đầy đủ và mô hình chưa được hiệu chỉnh tốt. Phần mềm F28 đã cho thấy rõ cấu trúc dòng chảy 3D tại Cù lao Rùa. Ngoài ra, phần mềm F28 cung cấp tốc độ xói mòn đáy và tốc độ xói mòn bờ bởi dòng chảy – các dữ liệu đầu vào cho công cụ tính toán STABI.

Bằng cách kết hợp phần mềm F28 và công cụ STABI, kết quả tính toán thấy khúc cong tại cổ Rùa tiếp tục bị sạt lở. Luận án đã đề xuất các giải pháp phi công trình và giải pháp công trình để ngăn ngừa và giảm thiểu sạt lở bờ sông tại vị trí cổ Rùa bên nhánh sông phụ. Trong đó, giải pháp công trình bằng kè đứng bằng cọc bản chắn bê tông cốt thép đã được đề xuất cho vị trí sạt lở ở cổ Rùa bên nhánh sông phụ. iii ABSTRACT Bank erosion and channeling are processes that occur with river-beds, which have negative impacts on the livelihoods of people and the loss of social assets.

This thesis research studies the bank erosion issue at Cu Lao Rua (Thanh Hoi Island) located on Dong Nai river in Thanh Hoi commune, Tan Uyen town, Binh Duong province. The situation of bank erosion at Cu Lao Rua has been going on for a long time, the rate of bank erosion has increased after the Tri An hydropower plant went into operation. At the same time, sand extraction activities in the riverbed have increasingly become a serious problem. These reasons posed the intensity and risk of bank erosion at Cu Lao Rua.

Currently, due to the rapid erosion process, Cu Lao Rua is at risk of being cut in two parts at the turtleneck position. Therefore, the study on the mechanism and causes of bank erosion and landslides at Cu Lao Rua is a vital of concern in order to propose effective measures for controlling and preventing erosion events. Within the mainstay of this thesis, a tool for bank erosion calculation (named as STABI) has been constructed. This calculation tool integrates 3 basic modules, including: (i) Module for calculating seepage flow at the riverbank; (ii) Module for stability analysis; and (iii) Module for bank erosion calculation.

In addition, the thesis’ author has applied F28 software in the combination of STABI to create a supporting tool for assisting the study on the changes of flow and evolution problem completely. By applying the F28 software, an integrated 1D2D3D calculation model for flow and riverbed erosion was constructed in which Turtle Isle was modeled in the 3D visualization. With combination of F28 software and the STABI tool, the shoreline evolution model was established to identify the mechanism and causes of bank erosion and landslides at the study area. Research results show that the main cause of bank erosion is secondary eddies caused by curved river beds.

The flow at the curved neck is the cause of bottom erosion and river bank erosion. Rivers erode when the level of erosion reaches a threshold that destabilizes the banks. Calculations show that after 321 days a landslide can occur, the landslide is about 3. The calculated results can confirm that landslides will definitely occur.

However, the time and extent of landslides are not very reliable because the data is incomplete and the model is not well calibrated. The results achieved by F28 software has clearly shown the 3D flow structure at Cu Lao Rua. Further, the F28 software also provides the rates of riverbed erosion and bank erosion caused by shoreline currents for SATBI calculation tool. By combining iv F28 software and SATBI tool, the calulation results show that the bend part at Turtle’s neck will continue to be eroded.

The thesis has proposed non-structural solutions and structural solutions to prevent and minimize riverbank erosion at Turtleneck position on the tributary of the main river flow. In particularly, a vertical embankment with reinforced concrete slab piles has been proposed for the erosion site at Turtle's neck on the tributary side. v MỤC LỤC MỤC LỤC. VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

XII CÁC TỪ VIẾT TẮT. XIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU. XIV MỞ ĐẦU. Tổng quan sạt lở bờ sông trên thế giới, Việt Nam và khu vực nghiên cứu.

Tổng quan sạt lở bờ sông trên thế giới, Việt Nam. Tổng quan khu vực nghiên cứu. Giới thiệu khu vực nghiên cứu. Đặc điểm địa hình.

Đặc điểm địa chất. Chế độ thủy văn, dòng chảy. Hiện trạng hệ thống các công trình giao thông, thủy lợi. Tình hình giao thông thủy khu vực nghiên cứu.

Các nghiên cứu đã thực hiện tại Cù lao Rùa. Tổng quan về phương pháp mô hình toán nghiên cứu xói lở bờ sông13 1. Di chuyển bùn cát. Mô hình tính toán.

Mô hình diễn biến lòng sông với vật liệu kết dính. Mô hình diễn biến lòng sông với vật liệu không kết dính. Tổng quan các giải pháp công trình chống sạt lở bờ sông. Các giải pháp sinh học.

Các giải pháp sinh học kết hợp xây dựng công trình. Chống xói lở bằng các giải pháp công trình bảo vệ bờ trực tiếp. Giải pháp công trình bảo vệ bờ gián tiếp (giải pháp chủ động). Đánh giá chung.

Kết luận chương. CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ SẠT LỞ, XÓI MÒN. Phần mềm F28 tính dòng chảy, vận tải bùn cát và bồi xói lòng dẫn. Xây dựng phần mềm STABI tính toán diễn biến lòng dẫn, sạt lở bờ 59 2.

Module tính toán dòng chảy thấm. Phương trình cơ bản và điều kiện biên. Phương pháp giải. Biến thiên của lưới tính.

Tính toán kiểm tra. Module phân tích tính ổn định bờ và tính toán sạt lở. Phân tích tính ổn định. Tính toán sạt lở.

Tính toán kiểm tra. Tích hợp các modules tính toán. Kết luận chương. TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ DIỄN BIẾN SẠT LỞ BỜ SÔNG KHU VỰC CÙ LAO RÙA.

Sử dụng phần mềm F28 và phần mềm Stabi. Xây dựng các mô hình toán. Mô hình dòng chảy và bồi xói lòng sông (Mô hình 1). Điều kiện biên.

Các thông số mô hình. Hiệu chỉnh mô hình. Mô hình xói mòn và sạt lở bờ (Mô hình 2) .